Experimento de laboratorio 7 El motor de inducción de jaula de ardilla Objetivos: 1. Analiz Analizar ar la estr estruct uctura ura de de un motor motor trifásico de jaula de ardilla 2. Determ Determina inarr sus caracter característ ística icas s de arranque, de vacío y de plena carga
Exposición
El rotar más sencillo y de mayor aplicacin en los motores de induccin, es el que se denomina de jaula de ardilla, de donde se deriva el nom!re de motor de induccin de jaula de ardilla. El rotar de jaula de ardilla se compone de un n"cleo de #ierro laminado que tiene tiene ranuras longitudi longitudinales nales alrededo alrededorr de su periferia. $arra arras s sli slid das de co!re !re o alumi lumini nio o se presionan %rmemente o se incrustan en las ranuras del rotar. A am!os e&tremos del rotar se encuent encuentran ran los anill anillos os de corto corto circ circuit uito o que que van van sold soldad ados os o suje sujeto tos s a las las !arr !arras as,, formando una estructura sumamente slida. 'uesto que las !arras en corto circuito tienen una una resi resist stenc encia ia muc# muc#o o meno menorr que que la del del n"cleo, no es necesario que se les aísle en forma orma esp especi ecial del n"c n"cleo leo. En alg algunos unos rotor otores es,, las las !ar !arras ras y los anil anillo los s de los e&tremos se funden en una sola estructura integral colocada en el n"cleo. (os elementos de corto circuito, en realidad son son vuel vuelta tas s en cort corto o cir circuit cuito o que que llev llevan an elevadas corrientes inducidas en ellas, por el )ujo del campo del estator. En comparacin con el complicado devanado del rotar .devanado, o con la armadura de un motor de c*d, el rotor de jaula de ardilla es relativamente simple. Es fácil de fa!ricar y generalmente tra!aja sin ocasionar pro!lemas de servicio. En un motor de induccin de jaula de ardilla ensa ensam! m!la lado do,, la peri perife feri ria a del del rotar otar está está sep separad rada del est estator ator por medi medio o de un peque+o peque+o entre entre#ie #ierr rro. o. (a magnit magnitud ud de este este entre#ierro es, en efecto, tan peque+a como 1 permitan permitan los requerimi requerimientos entos mecánicos mecánicos.. Esto asegura que, al efectuarse efectuarse la induccin induccin elec electr trom omag agnn-ti tica ca -sta -sta sea sea la más más fuert fuerte e posi!le. uando se aplica potencia al estator de un motor de induccin, se esta!lece un campo magn-t magn-tico ico girato giratorio rio,, confor conforme me a todos todos los m-todos que se #an estudiado #asta aquí. uan uando do el camp campo o comi comien enza za a gira girar, r, sus sus línea líneas s de )ujo )ujo corta cortan n las las !arr !arras as de cort corto o
circuito que están alrededor de la super%cie del roto otor de jaul jaula a de ardilla illa y gener enera an voltajes en ellas por induccin electrom electromagn-t agn-tica. ica. 'uesto 'uesto que estas !arras !arras están en corto circuito con una resistencia muy muy !aja !aja,, los los volt voltaj ajes es indu induci cido dos s en ella ellas s produ producen cen elevad elevadas as corrie corriente ntes s que circul circulan an por dic#as dic#as !arras !arras del del rotar rotar.. (as corri corrient entes es circulantes del rotar producen, a su vez, sus propios campos magn-ticos intensos. Estos campos locales de )ujo del rotar producen sus sus pro propios ios polos olos magn magn-t -tic ico os que son son atraídos #acia el campo giratorio. 'or lo tanto el rotar gira con el campo principal. El par de arranque del motor de induccin de jaula de ardilla es !ajo, de!ido a que en reposo el rotar tiene una reactancia inductiva /0( relativamente grande con respecto a su resi resist sten enci cia a /. /. En esta estas s cond condic icio ione nes, s, se podr podría ía espe espera rarr que que la corr corrie ient nte e del del rota rotarr tuviera un atraso de 3 grados en relacin al voltaje del rotar. 'or lo tanto, se puede decir que el factor de potencia del circuito es !ajo. Esto Esto sign signi% i%ca ca que que el moto motorr es ine% ine%ci cient ente e como como carg carga a y que que no pued puede e toma tomarr de la fuente de alimentacin una energía realmente "til para su operacin. A pesar de su ine%ciencia, se desarrolla uu par, y el motor comienza a girar. onforme comienza a girar, la diferencia en velocidad entre el rotar y el campo rotatorio, o deslizamiento, va de un má&imo del 1 por ciento a un valor intermedio, por ejemplo, el 4 por ciento. onforme el deslizamiento se reduce en esta forma, la frecuencia de los voltajes inducidos en el rotor va en disminucin, porque el campo giratorio corta los conduc conductor tores es a una veloci velocidad dad menor, menor, y est esto, a su vez, vez, #ac #ace que se reduz eduzc ca la reactancia inductiva general del circuito. Al reducirse la reactancia inductiva el factor de potenci ncia comienza nza a aume umenta ntar. Este mejo mejora rami mien ento to se re) e)ej eja a en for forma de un incremento en el par y un aumento su!secuente en la velocidad. uan uando do el desl desliz izam amie ient nto o !aja !aja a un valo valorr comprendido entre el 2 y el 1 por ciento, la velo veloci cida dad d del del moto motorr se esta esta!i !ili liza za.. Esta Esta esta!ilizacin ocurre de!ido a que el par del motor disminuye por disminuir los voltajes y corrientes inducidas en el rotar, ya que por el peque+o deslizamiento, las .!arras del rotar cort cortan an poco poco )ujo )ujo del del camp campo o gira girato tori rio o del del estator. En consecuencia, el motor presenta un control automático de velocidad similar a la del motor en derivacin de e*d.
c El voltaje nominal de los devanados del estator son de 1& ' d (a velocidad nominal es de 1#7& r ( min, y la potencia del motor es de
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Instrumentos y equipo •
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5dulo de motor de induccin de jaula de ardilla 5dulo de electrodinammetro 5dulo de 6attímetro trifásico 5dulo de fuente de alimentacin /*127289, :cf 5dulo de medicin de e*a /249 5dulo de medicin de e*a /2.47 2.47 2.47 8A ;acmetro de mano a!les de cone&in $anda
B. onecte el circuito que se ilustra en la Cigura 42*1, usando los *ódulos E*+ de
motor de jaula de ardilla, electrodinamómetro, att-metro tri./sico, .uente de alimentación y medición de e0a, o acople el motor al dinammetro todavíaF >!serve que los devanados del estator están conectados en estrella a trav-s del 6attimetro, a la salida trifásica varia!le de la fuente de alimentacin, terminales B. 4 G H.
Procedimiento Advertencia: ¡En este Experimento de Laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición! 1. E&amine la construccin del 5dulo E5< 8221 de motor de induccin de caja de ardilla, %jándose especialmente en el motor, las terminales de cone&in v el alam!rado. 2. =denti%que los devanados del estator. >!serve que se componen de muc#as vueltas de alam!re de un diámetro peque+o, uniformemente espaciadas alrededor del estator. /(os devanados del estator son id-nticos a los de un motor de induccin de rotor devanado. a =denti%que el a!anico de enfriamiento. ! =denti%que los anillos de los e&tremos del rotor de jaula de ardilla. c >!serve la longitud del entre#ierro entre el estator v el rotor. d ?E&iste alguna cone&in el-ctrica entre el rotor y cualquier otra parte del motor@ :.
4, y !, " y #$
! (a corriente nominal del estator son de
1$! %
Cigura 42*1
Cigura 42*2 4. onecte la fuente de alimentacin y ajuste El a 289 e*a. El motor de!e comenzar a funcionar. a 5ida y anote en la ;a!la 42*1, las tres corrientes de línea, las lecturas del 6attímetro y la velocidad del motor. ! eduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentacin.
H. Acople el motor al electrodinammetro por medio de la !anda. a 5ueva la perilla de control del dinamrnetro a su posicin e&trema #aci-ndola girar en el sentido contrario al de las manecillas del reloj. ! epita el 'rocedimiento 4 para cada uno de los pares anotados en la ;a!la 42*1, manteniendo el voltaje de entrada en 289 e*a. c eduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentacin. I. onecte el circuito que aparece en la Cigura 42*2. >!serve que a#ora se utiliza la salida trifásica %ja de la fuente de alimentacin, terminales 1, 2 G :. a 'onga la perilla de control del dinammetro en su posicin e&trema #aci-ndola girar en el sentido de las manecillas del reloj /con el %n de darle al motor una carga má&ima en el arranque. 8. onecte la fuente de alimentacin y mida rápidamente EJ 1, =1 G el par de arranque desarrollado.
E14& ' c0a I14,7 % c0a Par de arranque7 lb.2pl3
! alcule la potencia aparente del motor para el par de arranque.
Potencia aparente 11 '%
Par
I1
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51
&
&$7
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&$# ! &$7 ! &$6
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5 'elocid ad 1! 17 &
174
7
17"
77
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1" &
1#&&
Prueba de conocimientos 1. on los resultados de la ta!la 42*1, calcule las características en vacío del motor de jaula de ardilla a orriente media la corriente media
es el promedio de las corrientes Iprom $71 % ! 'otencia aparente Es el resultado que se obtiene al )acer la
multiplicación entre el voltaje y la corriente media tri./sica + 11 '% c 'otencia real a potencia real es el resultado de la multiplicación entre el voltaje y la corriente y el .actor de potencia P 16!1 d8 Potencia reactiva !"$76 var e Cactor de potencia
9P &$!
2. ompare las características de operacin de jaula de ardilla con las del motor de rotor devanado.
El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores met/licos normalmente de aluminio8 dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos met/licos, esto es lo que .orma la llamada jaula de ardilla por su similitud 3r/;ca con una jaula de ardilla$ Esta mero de conductores8 situado en el interior del campo ma3n?tico 3iratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema .@sico muy e;caA, simple, y muy robusto b/sicamente, no requiere mantenimiento8$ El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en veA de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre ?l en una serie de ranuras situadas sobre su super;cie$ =e esta .orma se tiene un bobinado en el interior del campo ma3n?tico del estator, del mismo n>mero de polos )a de ser construido con muc)o cuidado8, y en movimiento$ Este rotor es muc)o m/s complicado de .abricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a trav?s de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados$ Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utiliAar un reostato de arranque que permite modi;car la velocidad y el par de arranque, as@ como el reducir la corriente de arranque$ El motor de inducción de jaula de ardilla es una de las m/quinas m/s se3uras y m/s usadas en la industria porque esta
normalmente c)apa apilada$ =e esta manera, se consi3ue un sistema n0 ./sico de conductores siendo n el n>mero de conductores8 situado en el interior del campo ma3n?tico 3iratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema .@sico muy e;caA, simple, y muy robusto b/sicamente, no requiere mantenimiento8$ :.
de
! ?Aumentaría la comente de e&citacin, se reduciría o permanecería igual@
Bajar@a la velocidad del rotor, pero la corriente de excitación permanecer@a i3ual Ce.erencias BooDs ibros8: 1F *aquinas El?ctricas, !E=$ 9C%IE *OC% GE+H+$ E=I: *J KC%5 LI$ F Introducción a maquinas el?ctricas y trans.ormadores$ *J PLEC+OM, KEOCKE$